Técnicas de preparación especializadas para cerámicas de carburo de silicio

Cerámica de carburo de silicio (SiC)Los materiales poseen una variedad de propiedades excelentes, que incluyen resistencia a altas temperaturas, fuerte resistencia a la oxidación, resistencia superior al desgaste, estabilidad térmica, bajo coeficiente de expansión térmica, alta conductividad térmica, alta dureza, resistencia al choque térmico y resistencia a la corrosión química. Estas características hacen que las cerámicas de SiC sean cada vez más aplicables en diversos campos, como la industria automotriz, mecánica y química, la protección del medio ambiente, la tecnología espacial, la electrónica de la información y la energía.Cerámica de SiCse han convertido en un material cerámico estructural insustituible en muchos sectores industriales debido a sus destacadas prestaciones.

¿Cuáles son las características estructurales que mejoranCerámica de SiC?

Las propiedades superiores deCerámica de SiCestán estrechamente relacionados con su estructura única. El SiC es un compuesto con enlaces covalentes muy fuertes, donde el carácter iónico del enlace Si-C es sólo de aproximadamente el 12%. Esto da como resultado una alta resistencia y un gran módulo elástico, proporcionando una excelente resistencia al desgaste. El SiC puro no se corroe con soluciones ácidas como HCl, HNO3, H2SO4 o HF, ni con soluciones alcalinas como NaOH. Si bien tiende a oxidarse cuando se calienta en el aire, la formación de una capa de SiO2 en la superficie inhibe una mayor difusión del oxígeno, manteniendo así baja la tasa de oxidación. Además, el SiC presenta propiedades semiconductoras, con buena conductividad eléctrica cuando se introducen pequeñas cantidades de impurezas y excelente conductividad térmica.

¿Cómo afectan las diferentes formas cristalinas de SiC a sus propiedades?

El SiC existe en dos formas cristalinas principales: α y β. El β-SiC tiene una estructura cristalina cúbica, donde el Si y el C forman redes cúbicas centradas en las caras. El α-SiC existe en más de 100 politipos, incluidos 4H, 15R y 6H, siendo el 6H el más utilizado en aplicaciones industriales. La estabilidad de estos politipos varía con la temperatura. Por debajo de 1600°C, el SiC existe en forma β, mientras que por encima de 1600°C, el β-SiC se transforma gradualmente en varios politipos de α-SiC. Por ejemplo, el 4H-SiC se forma alrededor de los 2000 °C, mientras que los politipos 15R y 6H requieren temperaturas superiores a los 2100 °C para formarse fácilmente. El politipo 6H permanece estable incluso por encima de 2200°C. La pequeña diferencia en energía libre entre estos politipos significa que incluso impurezas menores pueden alterar sus relaciones de estabilidad térmica.

¿Cuáles son las técnicas para producir polvos de SiC?

La preparación de polvos de SiC se puede clasificar en síntesis en fase sólida y síntesis en fase líquida según el estado inicial de las materias primas.

¿Cuáles son los métodos involucrados en la síntesis en fase sólida? 

La síntesis en fase sólida incluye principalmente reducción carbotérmica y reacciones directas silicio-carbono. El método de reducción carbotérmica abarca el proceso Acheson, el método del horno vertical y el método del horno rotatorio de alta temperatura. El proceso Acheson, inventado por Acheson, implica la reducción de sílice en arena de cuarzo mediante carbón en un horno eléctrico Acheson, impulsado por una reacción electroquímica a alta temperatura y fuertes campos eléctricos. Este método, con una historia de producción industrial que abarca más de un siglo, produce partículas de SiC relativamente gruesas y tiene un alto consumo de energía, gran parte del cual se pierde en forma de calor.

En la década de 1970, las mejoras en el proceso Acheson llevaron a avances en la década de 1980, como hornos verticales y hornos rotativos de alta temperatura para sintetizar polvo de β-SiC, con nuevos avances en la década de 1990. Ohsaki et al. descubrió que el gas SiO liberado al calentar una mezcla de SiO2 y polvo de Si reacciona con el carbón activado, con una temperatura aumentada y un tiempo de mantenimiento prolongado, lo que reduce el área de superficie específica del polvo a medida que se libera más gas SiO. El método de reacción directa silicio-carbono, una aplicación de la síntesis autopropagante a alta temperatura, implica encender el cuerpo reactivo con una fuente de calor externa y utilizar el calor de la reacción química liberado durante la síntesis para mantener el proceso. Este método tiene un bajo consumo de energía, equipos y procesos simples y alta productividad, aunque es difícil controlar la reacción. La débil reacción exotérmica entre el silicio y el carbono dificulta su encendido y mantenimiento a temperatura ambiente, lo que requiere fuentes de energía adicionales como hornos químicos, corriente continua, precalentamiento o campos eléctricos auxiliares.

¿Cómo se sintetiza el polvo de SiC mediante métodos en fase líquida? 

Los métodos de síntesis en fase líquida incluyen técnicas de descomposición de polímeros y sol-gel. Ewell et al. propuso por primera vez el método sol-gel, que luego se aplicó a la preparación de cerámica alrededor de 1952. Este método utiliza reactivos químicos líquidos para preparar precursores de alcóxidos, que se disuelven a bajas temperaturas para formar una solución homogénea. Al agregar agentes gelificantes apropiados, el alcóxido sufre hidrólisis y polimerización para formar un sistema de sol estable. Después de un reposo o secado prolongado, el Si y el C se mezclan uniformemente a nivel molecular. Calentar esta mezcla a 1460-1600°C induce una reacción de reducción carbotérmica para producir polvo fino de SiC. Los parámetros clave a controlar durante el procesamiento sol-gel incluyen el pH de la solución, la concentración, la temperatura de reacción y el tiempo. Este método facilita la adición homogénea de varios componentes traza, pero tiene inconvenientes como hidroxilo residual y disolventes orgánicos nocivos para la salud, altos costos de materia prima y una contracción significativa durante el procesamiento.

La descomposición a alta temperatura de polímeros orgánicos es otro método eficaz para producir SiC:

Calentar polisiloxanos en gel para descomponerlos en pequeños monómeros, formando finalmente SiO2 y C, que luego se someten a una reducción carbotérmica para producir polvo de SiC.

Calentar policarbosilanos para descomponerlos en pequeños monómeros, formando una estructura que finalmente da como resultado polvo de SiC. Las técnicas sol-gel recientes han permitido la producción de materiales sol/gel a base de SiO2, asegurando una distribución homogénea de los aditivos de sinterización y endurecimiento dentro del gel, lo que facilita la formación de polvos cerámicos de SiC de alto rendimiento.

¿Por qué se considera la sinterización sin presión una técnica prometedora paraCerámica de SiC?

La sinterización sin presión se considera un método muy prometedor parasinterización de SiC. Dependiendo del mecanismo de sinterización, se puede dividir en sinterización en fase sólida y sinterización en fase líquida. S. Proehazka logró una densidad relativa superior al 98 % para los cuerpos sinterizados de SiC añadiendo cantidades adecuadas de B y C a un polvo de β-SiC ultrafino (con un contenido de oxígeno inferior al 2 %) y sinterizando a 2020 °C bajo presión normal. A. Mulla et al. utilizó Al2O3 e Y2O3 como aditivos para sinterizar 0.5μm β-SiC (con una pequeña cantidad de SiO2 en la superficie de la partícula) a 1850-1950°C, logrando una densidad relativa mayor al 95% de la densidad teórica y granos finos con un promedio Tamaño de 1,5 μm.

¿Cómo mejora la sinterización por prensa caliente?Cerámica de SiC?

Nadeau señaló que el SiC puro sólo puede sinterizarse densamente a temperaturas extremadamente altas sin ningún tipo de ayuda para la sinterización, lo que llevó a muchos a explorar la sinterización por prensa en caliente. Numerosos estudios han examinado los efectos de la adición de B, Al, Ni, Fe, Cr y otros metales en la densificación del SiC, y se ha descubierto que el Al y el Fe son los más eficaces para promover la sinterización por prensa en caliente. F.F. Lange investigó el rendimiento del SiC sinterizado por prensado en caliente con cantidades variables de Al2O3, atribuyendo la densificación a un mecanismo de disolución-reprecipitación. Sin embargo, la sinterización por prensa en caliente sólo puede producir componentes de SiC de forma simple y la cantidad de producto en un único proceso de sinterización es limitada, lo que lo hace menos adecuado para la producción industrial.

¿Cuáles son los beneficios y las limitaciones de la sinterización reactiva del SiC?

SiC sinterizado por reacción, también conocido como SiC autoadherente, implica hacer reaccionar un cuerpo verde poroso con fases gaseosas o líquidas para aumentar la masa, reducir la porosidad y sinterizarlo en un producto fuerte y dimensionalmente preciso. El proceso implica mezclar polvo de α-SiC y grafito en una determinada proporción, calentarlo a aproximadamente 1650 °C e infiltrar el cuerpo verde con Si fundido o Si gaseoso, que reacciona con el grafito para formar β-SiC, uniendo el α-SiC existente. partículas. La infiltración completa de Si da como resultado un cuerpo sinterizado por reacción completamente denso y dimensionalmente estable. En comparación con otros métodos de sinterización, la sinterización por reacción implica cambios dimensionales mínimos durante la densificación, lo que permite la fabricación de componentes precisos. Sin embargo, la presencia de una cantidad considerable de SiC en el cuerpo sinterizado conduce a un peor rendimiento a altas temperaturas.

En resumen,Cerámica de SiCproducido por sinterización sin presión, sinterización por prensa en caliente, prensado isostático en caliente y sinterización por reacción exhiben características de rendimiento variables.Cerámica de SiCprovenientes de prensado en caliente y prensado isostático en caliente generalmente tienen densidades sinterizadas y resistencias a la flexión más altas, mientras que el SiC sinterizado por reacción tiene valores relativamente más bajos. Las propiedades mecánicas deCerámica de SiCtambién varían con diferentes aditivos de sinterización. Sin presión, prensado en caliente y sinterizado por reacciónCerámica de SiCexhiben buena resistencia a ácidos y bases fuertes, pero el SiC sinterizado por reacción tiene peor resistencia a la corrosión frente a ácidos fuertes como el HF. En términos de rendimiento a alta temperatura, casi todosCerámica de SiCmuestran una mejora de la resistencia por debajo de 900 °C, mientras que la resistencia a la flexión del SiC sinterizado por reacción disminuye drásticamente por encima de 1400 °C debido a la presencia de Si libre. El rendimiento a alta temperatura del prensado isostático en caliente y sin presión.Cerámica de SiCDepende principalmente del tipo de aditivos utilizados.

Si bien cada método de sinterización paraCerámica de SiCtiene sus méritos, el rápido avance de la tecnología requiere mejoras continuas enCerámica de SiCrendimiento, técnicas de fabricación y reducción de costes. Lograr la sinterización a baja temperatura deCerámica de SiCes crucial para reducir el consumo de energía y los costos de producción, promoviendo así la industrialización deCerámica de SiCproductos.**

En Semicorex nos especializamos enCerámica de SiCy otros Materiales Cerámicos aplicados en la fabricación de semiconductores, si tiene alguna consulta o necesita detalles adicionales, no dude en ponerse en contacto con nosotros.

Teléfono de contacto: +86-13567891907

Correo electrónico: sales@semicorex.com